Природа тепловой формы энергии.

Основные понятия общей экологии

Среда обитания - это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует.

В земных условиях существует четыре среды обитания:

1) Водная.

2) Наземно-воздушная.

3) Почвенная.

4) Тело другого организма, используемое экто - и эндопаразитами.

Составные части и свойства среды многообразны и изменчивы.

Экологические факторы - отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организм.

Экологические факторы разделяются на абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические факторы - это все, влияющие на организм элементы неживой природы: температура, свет, радиоактивное излучение, давление, влажность воздуха, химический состав водных растворов, ветер, течения, рельеф местности и т. д.

Биотические факторы - это формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм постоянно испытывает на себе прямое или косвенное влияние других видов - растениями, животными, микроорганизмами, зависит от них и сам оказывает на них воздействие.

Антропогенные факторы - это формы деятельности человека, человеческого общества, приводящие к изменению среды обитания других видов и самого человека, или непосредственно сказывающиеся на их жизни. Любое живое существо живет в сложном меняющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с его изменениями.

Отдельные экологические факторы создают комплексное воздействие на организм, которое, на первый взгляд, является абсолютно случайным и непредсказуемым. Однако в этом воздействии наряду со случайностью есть и определенные закономерности, связанные с фундаментальными законами природы, открытыми современной физикой.

В процессе развития физики как естественной науки выявился целый ряд противоречий между причинно-следственными связями в различных явлениях материального мира. Это привело к временному условному делению объектов изучения на явления макромира, микромира и мегамира.

1. МЕГАМИР - мир космических скоростей и масштабов.

2. МАКРОМИР - мир объектов, соизмеримых с масштабом человеческого опыта.

3. МИКРОМИР - мир предельно малых объектов. Относится изучение элементарных частиц, входящих в состав атома.

В результате, главной задачей современной физики стало открытие законов, общих для всех этих явлений.

Одним из важнейших открытий в природе микромира оказался принцип неопределенности, в соответствии с которым одинаковые частицы в одинаковых условиях ведут себя по-разному. То есть, выяснилось, что случайность событий – это не отсутствие знания конкретной причины данного следствия, а неотъемлемое свойство материи. В то же время процессы, происходящие в микромире, подчиняются статистическим закономерностям: если при воздействии на одинаковые частицы одних и тех же сил определить местоположение и состояние конкретной частицы нельзя, то наиболее вероятное местоположение и состояние большинства этих частиц будет закономерным. В явлениях макромира эти статистические закономерности часто приобретают характер абсолютной причинно-следственной зависимости, что, однако, не исключает, а, наоборот, предусматривает возможность абсолютно случайных отклонений от этой зависимости.

Наиболее фундаментальным и разработанным законом природы является закон сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения энергии свидетельствует о неуничтожимости движения и материи, существовании взаимных превращений между видами энергии и движения, невоз­можности создания чего-либо из ничего. Он объясняет при­роду механической работы и справедлив для всех явлений природы.

Благодаря открытию закона сохранения энергии были сделаны новые ценные открытия, созданы механизмы и устройства нового типа, приведены в единую систему фи­зические представления о мире. Закон имеет исключитель­ное значение для естествознания, поскольку на нем осно­ваны основные положения современной физики, химии, прочих смежных наук. Все знания о веществе, разного рода превращениях, феноменах и процессах опираются на пред­ставления о сохранении энергии. Одновременно этот за­кон объединяет и разные формы энергии: лучистую, ядер­ную, электромагнитную, механическую, химическую, тепло­вую и т.д.

Закон этот неукосни­тельно соблюдается во всей бесконечной Вселенной. За­медление времени, искривление пространства, сверхтеку­честь и сверхпроводимость, а также прочие физические «штучки», нарушающие привычные представления о мире, на закон сохранения не распространяются. Он универса­лен. Если какие-то расчеты показывают, что энергия бе­рется из ниоткуда или уходит в никуда, значит они про­сто неверны. Закон сохранения при всей своей простоте непоколебим и категоричен. Исключений из него не су­ществует и не может существовать даже чисто предполо­жительно!

Невозможно представить себе случай, когда закон сохранения не действовал бы. Материя пребывает в движении, которое выражается в переходах энергии из одного состояния в другое. Поэтому, если бы случилось нечто фантасти­ческое, и закон сохранения энергии перестал бы работать, это означало бы исчезновение материи и Вселенной.

Обобщенная форма закона гласит: Внутри замкнутой системы энергия передается от одного тела к другому, претерпевая превращения и принимая новые формы. Количество ее всегда ос­тается неизменным.

При этом системой называется совокупность объектов (предметов и/или явлений), объединенных единым процессом.

Если процесс обратимый или циклический - система замкнутая. Все материальные системы, как естественного природного происхождения, так и созданные человеком, в той или иной степени взаимодействуют с внешними по отношению к системе объектами, то есть являются открытыми и составляют вместе с этими «внешними» объектами более сложную систему или надсистему, по отношению к которой будут являться подсистемой. Процесс, объединяющий компоненты в элементарную систему может быть и необратимым. Например: система, состоящая из органического вещества – целлюлозы (спичка) и кислорода, объединенных необратимой химической реакцией (горения) превращения их в углекислый газ, минеральные соли и пары воды. Такая система, образованная необратимым процессом, будет называться незамкнутой. Однако процесс, необратимый в рамках данной элементарной системы, может оказаться обратимым в рамках одной из надсистем более высокой иерархии. А так как все процессы, в какой бы форме они ни протекали, - это в итоге процессы перехода и превращения энергии, то, по сути, все материальные системы являются замкнутыми. Смысл закона заключается в том, чтобы следить за приходом и расходом энергии внутри выбранной систе­мы. Энергией называется способность какого-либо тела или системы совершать работу. Известно, что работа в физике — это дей­ствие приложенной к телу силы на каком-то отрезке пути А = FS (F – сила, S - расстояние, А - работа).

Частный вариант закона — для механики — утвер­ждает, что полная механическая энергия всех тел системы остается неизменной.

Тела взаимодействуют друг с другом механически (как шестеренки в часах) и при этом передают друг другу энер­гию. Передача ее и взаимодействие такого рода называет­ся механическим процессом. Не участвующие в процессе тела, если они как-то иначе влияют на систему, изменяют ее энергию. Но тела внутри системы этого не могут: коли­чество энергии постоянно при чисто механическом про­цессе.

Для объяснения смысла закона сохранения механичес­кой энергии обратимся к связи между работой и потенци­альной энергией.

Выделяют два основных вида энергии: потенциальную и кинетическую. Потенциальную энергию тело или система приобретают в результате работы, совершенной против действия какой-либо силы. Например, для того чтобы тело приобрело потенциальную энергию, его нужно поднять на определенную высоту, т. е. совершить работу против силы тяжести.

.

Кинетическая энергия приобретается в процессе движения тел или систем обладающих массой и зависит от скорости этого движения

.

 

Такой энергией обладает брошеный камень. Можно сказать, что кинетическая энер­гия есть энергия движущегося тела.

Энергия означает способность тела или системы совершатьработу. Пока тело (система) не совершает никакой работы, его энергия пере­ходит из потенциальной в кинетическую, и - наоборот, — до бесконечности (пример: идеальный маятник)

Но любое взаимодействие порождает расход энергии тела. Кинетическая энергия уменьшается, переходя в работу, то же самое может произойти и с потенциальной энергией. Полная энергия тела или системы тел, как несложно понять, равна сумме их кинетической и потенциальной энергии.

Поэтому как бы ни менялось количество кинетической и потенциальной энергий, полная энергия неизменна. Имен­но это и утверждает закон сохранения механической энер­гии. В системе она лишь передается от тела к телу. Способ передачи механической энергии — это и есть работа, кото­рая всегда равна величине изменения энергии. Физики формулируют это утверждение так: работа служит мерой передачи энергии при механических процессах.

Нет такого механизма, который бы давал «выигрыш» работе. Нельзя из бензобака получить больше энергии, чем там есть! Нельзя извлечь больше энергии из атомного реак­тора, чем это возможно.

Потенциальная и кинетическая энергия могут проявляться в различных формах механической, химической, электрической, тепловой, атомной. При этом все эти формы могут переходить друг в друга и в конечном итоге в механическую работу и/или тепловую энергию, т. е. в макромире возможны принципиально только 2 способа перехода энергии в другую форму: через тепловую форму энергии или через тепловую энергию и механическую работу. В связи с вышесказанным закономерности превращения тепловой энергии в другие формы энергии и работы носят всеобщий характер. Этим объясняется революционное научное значение законов термодинамики – науки, изучающей тепловые и энергетические проявления в любых физических процессах.

Природа тепловой формы энергии.

Все вещества и тела состоят из атомов и молекул, находящихся в постоянном движении, соответственно, каждая молекула в процессе движения приобретает определенную, в зависимости от своей массы и скорости беспорядочного движения, кинетическую энергию. Поэтому, даже если само тело находится в покое и имеет нулевую потенциальную и кинетическую энергию, оно обладает внутренней энергией, связанной с движением атомов и молекул. Суммарная кинетическая энергия молекул вещества и представляет собой тепловую (внутреннюю) энергию этого вещества или тела. Если мы изменим, состояние системы и заставим атомы и молекулы двигаться более интенсивно, мы говорим, что добавили в систему тепловой энергии, увеличивая ее внутреннюю энергию.

В 18-м веке инженерная мысль открыла возможность превращения тепла в механическую работу. Согласно одному историческому анекдоту, Дж. Уатт создал первую паровую машину, увидев прыгающую крышку на кастрюле с кипятком. Он построил автоматическое паровое устройство для непрерывной работы, основными частями которого были поршневой цилиндр и устройство для периодического вы­броса отработавшего пара. Паровые машины оказались чересчур прожорливыми, неэкономными в плане расхода топлива. Их эффек­тность оказалась сравнительно невелика, да и точного способа измерить ее у физиков в распоряжении не имелось. С целью совершенствования тепловых машин проводились исследования работы пара, что привело к возникновению нового направления в физике: термодинамики.

Термодинамика (греч. «терме» — тепло, «динамис» — сила) — физическая наука, изучающая тепловые и энергетические проявления в любых физических процессах. Перенос вещества, передача энергии, выделение или поглощение теплоты сопровождают самые разнообразные природные феномены, среди которых можно назвать хи­мические реакции, обмен веществ в живых организмах, из­лучение, изменение агрегатного состояния, механические реформации и т. д. Всеми этими процессами, их энергетической стороной занимается термодинамика. Термодинамика отвечает на главные вопросы, связанные с протеканием и самим существованием природных процессов.

Во-первых, возможен ли рассматриваемый процесс при определенных условиях. Во-вторых, в каком направле­нии станет развиваться реально существующий процесс при изменении условий. В-третьих, каково будет заверше­ние этого процесса. Конечная стадия известна физикам заранее — это тепловое равновесие. Термодинамика уста­навливает, как тело (система) приходит к тепловому рав­новесию. Великий А. Эйнштейн писал: «Классическая термоди­намика производит на меня очень глубокое впечатление. Это — единственная общая физическая теория, и я убеж­ден, что в рамках применимости своих основных положе­ний она никогда не будет опровергнута». Термодинамика обладает фантастическим охватом. Она затрагивает буквально все, что только происходит в мире.

Можно сказать, что термодинамика изучает тепло и энер­гию как формы движения материи. Эта физическая дис­циплина основана на «трех китах» — трех законах, кото­рые носят название начал термодинамики, поскольку оп­ределяют всеобщие свойства материи и ее движение. Три начала термодинамики справедливы для всей Вселенной, они управляют процессами, событиями, превращениями, живой и неживой природой, самим ходом времени и свой­ствами пространства. Каждый из этих законов касается какого-либо свойства движения энергии.

Первое начало касается процесса энергообмена, его количественной стороны. Оно указывает, сколько энергии участвует в превращениях, на что она расходуется и как переходит от тела к телу.

Сообщенное телу (или системе) количе­ство теплоты увеличивает внутреннюю энергию этого тела и заставляет его совершать работу. При этом работа не может превышать количество сообщенной телу тепловой энергии, т. е.«вечный двигатель первого рода» невозможен.

Второе начало указывает направление движения энергии: от каких тел, в каком соотношении, через какие формы. Основные положения второго начала термодинамики формулируются следующим образом:

1. Тепловая энергия передается только в одном направлении – от теплого к менее теплому.

2. Превращаться в работу может только часть тепловой энергии, передаваемой от теплого к холодному. То есть главным условием работы тепловой энергии является не источник тепла («нагреватель»), а «холодильник».

Следствиями этих положений являются:

а) полное преобразование любой формы энергии в работу или другую форму энергии, за исключением тепловой, невозможно; часть энергии обязательно теряется в форме тепла.

б) совершение работы за счет внутренней энергии замкнутой системы возможно только при неравномерном распределении этой энергии внутри системы.

С целью увеличения К.П.Д. тепловых машин были предприняты теоретические исследования работоспособности идеальных закрытых тепловых систем, т. е мысленных систем, полностью изолированных от возможности обмена энергией с внешней средой, общее количество внутренней энергии которых не может измениться. В результате этих мысленных экспериментов были сделаны следующие выводы, также ставшие основными положениями второго начала термодинамики:

· Невозможно использовать для работы внутреннюю энергию вещества путем его охлаждения, так как даже если энергия, потраченная на работу по охлаждению (работу «холодильника») будет равна отдаваемому веществом теплу (идеальный случай), в полезную работу может быть преобразована только часть этого, отданного веществом тепла. Следовательно, реализация проектов, предлагающих использовать внутреннюю тепловую энергию природных объектов (например водоемов) путем их охлаждения – проекты вечного двигателя второго рода – невозможна.

· Работоспособность замкнутой закрытой системы, не смотря на сохранение исходного количества внутренней энергии, неизбежно снижается до нуля. Другими словами, внутренняя энергия системы необратимо обесценивается, хотя никуда и не исчезает.

Для определения меры этого необратимого обесценивания энергии было введено новое физическое понятие – энтропия.

Представьте себе замкнутую изолированную тепловую систему в виде химически однородного предмета, одна часть которого значительно теплее другой его части (допустим: +90⁰ – одна часть, и +45⁰ – другая часть), полностью изолированного от какого бы то ни было теплового обмена с окружающей средой. Данное неравномерное распределение тепловой энергии внутри системы (предмета) на молекулярном уровне можно себе представить как упорядоченное распределение молекул вещества в зависимости от скорости их беспорядочного движения. Молекулы с высокой скоростью движения и соответственно более высокой кинетической энергией сосредоточены в одной части системы (предмета), а молекулы с низкой скоростью и энергией – в другой. В силу беспорядочного движения и неизбежных столкновений и тех и других молекул друг с другом между ними идет постоянный обмен частью кинетической энергии, в результате которого скорость движения и кинетическая энергия одних молекул повышается, а других понижается, то есть идет передача энергии от теплой части предмета к холодной. Часть этого тепла в соответствии со вторым началом термодинамики может быть использована в работе. Но, по мере того как разница температур между частями предмета уменьшается, распределение тепла внутри системы становится все более равномерным, и количество тепловой энергии, передаваемое в единицу времени от теплой части предмета к холодной, становится все меньше, способность внутренней энергии системы совершать работу снижается. Когда разница в тепловой энергии между частями системы полностью нивелируется, продолжение работы станет невозможно, так как, хотя общее количество энергии в системе не изменилось, переход энергии от теплого к холодному прекратился. В условиях тепловой однородности системы (предмета) скорость движения молекул не может быть одинаковой в силу передачи части энергии одних молекул другим при неизбежных столкновениях. В то же время в силу беспорядочного, случайного непредсказуемого характера движения молекул наиболее вероятным является статистически равномерное распределение внутри системы (предмета) молекул с разной скоростью движения и кинетической энергией.

Таким образом, наиболее вероятным, а значит, и устойчивым состоянием изолированной (закрытой) замкнутой тепловой системы является максимально беспорядочное движение молекул, что приводит к равномерному распределению внутри системы тепловой энергии и невозможности использования этой энергии в работе.

В качестве другого примера представим себе две соединенные трубкой емкости с двумя разными газами, допустим, водородом и азотом. Такое состояние является наименее вероятным и потому неустойчивым, но зато высокоупорядоченным. При равенстве температур оба газа постепенно распределятся равномерно во всей системе, так как это состояние наиболее вероятно и устойчиво.

Таким образом, понятие энтропии, отражавшее абстрактный умозрительный процесс «деградации и обесценивания» энергии становится отражением реального процесса перехода систем от неустойчивого упорядоченного состояния с неравномерным распределением энергии к устойчивому беспорядочному состоянию с равномерным распределением энергии. С учетом всеобщности и фундаментальности закона сохранения и превращения энергии, энтропии можно дать определение как меры перехода системы от упорядоченного состояния к хаосу, или меры беспорядка в системе.

Следовательно, третьим основным положением второго начала термодинамики будет:

3. В замкнутых закрытых системах энтропия неизбежно возрастает или остается на максимальном уровне. Другими словами, любая закрытая упорядоченная система неизбежно стремится к беспорядку.

Законы термодинамики носят статистический вероятностный характер и не отрицают возможности случайного формирования более упорядоченного состояния системы. Именно в условиях максимально беспорядочного непредсказуемого поведения движущихся частиц и квантов энергии максимально высока вероятность их случайного временного неравномерного (упорядоченного) распределения. Так, в нашем примере со смесью газов, в силу беспорядочного непредсказуемого движения молекул, всегда есть вероятность их временного неравномерного распределения между сосудами. Так как это состояние маловероятно, а значит неустойчиво, молекулы быстро распространятся опять по всему объему и система вернется к равновесию и максимальной энтропии. Такие случайно возникающие временные зоны упорядоченности в равновесных системах называют флуктуации. В замкнутых закрытых системах флуктуации всегда носят временный характер, так как в соответствии с законом возрастания энтропии случайно образовавшаяся зона упорядоченности и неравномерного распределения энергии неизбежно переходит к равномерному распределению энергии и максимальному беспорядку.

Однако, рассматривая реальные природные замкнутые системы, мы видим, что закон неизбежного возрастания энтропии не проявляется. Почему вода на Земле существует в жид­ком состоянии, хотя должна была уже несколько милли­ардов лет тому назад перейти в пар — состояние с макси­мальной энтропией? Потому что это было бы возможно только в полностью изолированной системе. Вода есть система из бесчисленного множества молекул. Но она вза­имодействует с окружающей средой, в частности с воздухом. Вместе они образуют новую систему, в которой яв­ляются всего лишь отдельными телами. И эти тела ни­чем не изолированы друг от друга, поэтому их энтропия стремится к наиболее вероятному состоянию в конкрет­ных земных условиях. Закрытые изолированные системы существуют только как идеальные мысленные системы. Все реально существующие системы изолированными не являются, так как полностью исключить возможность обмена разных систем веществами и/или энергией невозможно. Этим обменом веществами и энергией каждая система связана с множеством других систем. При этом каждая система является окружающей средой для элементарных систем, являющихся ее составной частью, (подсистем) и одновременно подсистемой (составной частью) для системы более высокой иерархии (надсистемы). Таким образом, все реально существующие системы являются открытыми, так как постоянно обмениваются веществами и/или энергией с другими системами.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: